心電圖（ECG）學(xué)是一門將心臟離子去極（ionic depolarization） 后轉(zhuǎn)換為分析用可測(cè)量電信號(hào)的科學(xué)。模擬電子接口到電極/患者設(shè)計(jì)中為常見的難題之一便是優(yōu)化右腿驅(qū)動(dòng) （RLD） ,其目的是實(shí)現(xiàn)較高的共模性能和穩(wěn)定性。利用SPICE分析，可大大簡(jiǎn)化這一設(shè)計(jì)過程。

　　在ECG前端中，RLD放大器具有Vref的共模電極偏置，并反饋經(jīng)過反相處理的共模噪聲信號(hào)（enoise_cm），以降低測(cè)量放大器增益級(jí)輸入端總噪聲。圖1中，源 ECGp和 ECGn被分離開，目的是表明RLD放大器如何為一部分ECG信號(hào)提供共模參考點(diǎn)，而這一部分ECG信號(hào)可在測(cè)量放大器（INA） 的正負(fù)輸入端看到。左臂、右臂和右腿的并聯(lián) RC 組合，代表了集總無源電極連接阻抗（本文后面部分以 52kΩ和47nf表示）。假設(shè)enoise以寄生方式耦合至輸入，則enoise_cm的反饋會(huì)降低每個(gè)輸入端的總噪聲信號(hào)，并使用外部方法過濾剩余噪聲，或者利用測(cè)量放大器的共模抑制比（CMRR）來對(duì)其進(jìn)行抑制。

圖1:LEAD I和RLD簡(jiǎn)易連接。

　　在圖2、3和4中，我們可以看到共模抑制變化情況，表明共模測(cè)試電路具有不同的RLD放大器增益。這些圖表明，無反饋電阻器（即增益無限）時(shí)達(dá)到低頻CMRR;但是，在現(xiàn)實(shí)世界中，對(duì)于那些要求在某條輸入放大器引線被拔掉后RLD放大器仍能線性運(yùn)行的應(yīng)用來說，去除DC通路和/或?qū)F設(shè)置為某個(gè)高值或許并不實(shí)際。

圖2:CMRR與RLD增益的關(guān)系。

圖3:CMRR圖與頻率和RLD增益（RF）的關(guān)系。

圖4:MCRR RLD與無RLD的關(guān)系。

圖5:小信號(hào)脈沖測(cè)試電路。

圖6:圖5輸出的曲線圖。

　　一旦確定RLD放大器的增益，便可使用圖5所示測(cè)試電路，并在環(huán)路中注入一個(gè)小信號(hào)階躍，然后監(jiān)視輸出響應(yīng)情況。這時(shí)，響應(yīng)（圖6所示）顯示出強(qiáng)輸出振蕩，表明環(huán)路中出現(xiàn)不穩(wěn)定性。引起這種不穩(wěn)定的主要反饋通路是RLD放大器周圍的身體/電極/測(cè)量放大器反饋通路。圖7所示測(cè)試電路，允許在一個(gè)波特圖上單獨(dú)分析RLD放大器的反饋和開環(huán)增益（AOL） 曲線圖。

圖7:電極/測(cè)量放大器反饋測(cè)試電路。

　　圖9所示1/β（反饋）曲線圖代表了圖7模擬結(jié)果。請(qǐng)注意，在沒有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)，1/β曲線接近AOL曲線，且接近速率（ROC） >20dB/dec,其表明存在不穩(wěn)定性（證明過程，在此不作討論）。要解決這個(gè)問題，需在RLD放大器的局部反饋中添加一個(gè)串聯(lián)Rc和Cc（圖9所示Zc），這樣總1/β便與AOL曲線交叉，其接近速率 （ROC） ≤ 20dB/dec,且環(huán)路增益相補(bǔ)角> 45°（圖 12）。之后，Zc成為 20k-30kHz之間的主要反饋通路。圖11顯示了這種新的、經(jīng)過補(bǔ)償之后的1/β圖（基于Rc和Cc差異）。

圖8:補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)測(cè)試電路。

圖9:AOL、1/β和Zc.

圖10:補(bǔ)償后的右腿驅(qū)動(dòng)。

圖11:不同Cc值的AOL和1/β。

圖12:圖10的環(huán)路增益和相位。

　　總之，SPICE是一種有效的工具，可幫助快速分析和優(yōu)化RLD前端電路的性能和穩(wěn)定性。請(qǐng)記住，模型的好壞決定了模擬的質(zhì)量，因此對(duì)一些重要規(guī)格建模就十分重要，例如：噪聲、AOL、開環(huán)Zout以及CMRR與頻率關(guān)系等。另外，這項(xiàng)工作應(yīng)在開始分析和設(shè)計(jì)以前就完成。